JP5344947B2 - 荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法に関する。

半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体デバイスの回路パターンが微細化されている。半導体デバイスに微細な回路パターンを形成するためには、高精度の原画パターン（即ち、レチクル或いはマスク）が必要となる。高精度の原画パターンを製造するために、優れた解像性を有する電子ビーム描画装置が用いられている。

この種の電子ビーム描画装置では、試料が載置されるステージを移動させながら電子ビームを照射して、試料にパターンを描画している。描画位置の精度を高めるには、ステージの位置を精度良く測定する必要がある。ステージの位置測定には、一般にレーザ干渉計が用いられている。このレーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するために、所定のカットオフ周波数が設定されたデジタルフィルタを備えた描画装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。尚、この特許文献１には、カットオフ周波数の具体的な設定方法が開示されていない。

ここで、上記非線形誤差成分の周波数は、ステージ速度に比例する。ステージを等速で移動させる等速描画では、高密度のパターンを描画するときには、ステージ速度が遅くされるため、非線形誤差成分の周波数が低くなる。

また、描画スループットを向上させるため、パターン密度に応じてステージ速度を変化させるステージ可変速描画が行われているが、このステージ可変速描画においても、高密度のパターンを描画するときのステージ速度が遅くされるため、上記非線形誤差成分の周波数は低い方にも広がる。

このような低い周波数の非線形誤差成分を除去するには、デジタルフィルタのカットオフ周波数を低く設定すればよい。

然し、カットオフ周波数を低く設定すると、非線形誤差成分だけでなく、ステージ移動制御により生じる描画装置の機械振動成分も除去されるため、ステージ位置の測定精度の低下を招き、その結果、描画位置精度が低下する。従って、ステージ位置の測定精度を向上させるためには、ステージ制御により生じる機械振動成分を除去することなく、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を最大限除去するように、フィルタ部のカットオフ周波数を設定する必要がある。

特開２００７−３３２８１号公報

本発明の課題は、上記課題に鑑み、ステージ移動制御により生じる機械振動成分を除去することなく、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を最大限除去することが可能な荷電粒子ビーム描画装置及び荷電粒子ビーム描画方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、水平方向に移動自在なステージと、ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御することで、ステージの移動を制御するステージ移動制御部と、ステージの位置を測定するレーザ干渉計と、カットオフ周波数をデジタル制御の周期の逆数に設定することで、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するフィルタ部と、フィルタ部により非線形誤差成分が除去された測定信号に基づいて、ステージの位置を検出するステージ位置検出部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、水平方向に移動自在なステージと、ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御することで、ステージの移動を制御するステージ移動制御部と、ステージの位置を測定するレーザ干渉計と、カットオフ周波数をデジタル制御の周期の逆数に設定することで、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するフィルタ部と、該デジタル制御の周期の逆数を、描画中の最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数以下に制御するデジタル制御周期制御部とを備えたことを特徴とする。

この第２の態様において、最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数を算出する周波数算出手段を更に備えるように構成してもよい。

この第２の態様において、試料に描画するパターン密度に基づいて、最低ステージ速度を算出する最低ステージ速度算出部を更に備えるように構成してもよい。

本発明の第３の態様は、水平方向に移動自在なステージに載置された試料に荷電粒子ビームを照射してパターンを描画する荷電粒子ビーム描画方法において、レーザ干渉計を用いて、ステージの位置を測定するステップと、所定のカットオフ周波数が設定されたフィルタ部を用いて、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するステップと、非線形誤差成分が除去された測定信号に基づいて、ステージ位置を検出するステップとを含み、ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御する場合に、カットオフ周波数をデジタル制御の周期の逆数に設定するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の第１及び第３の態様によれば、フィルタ部のカットオフ周波数が、デジタル制御の周期の逆数に設定されるため、ステージ移動制御により生じる機械振動成分を除去することなく、レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を最大限除去することができる。

本発明の第２の態様によれば、フィルタ部のカットオフ周波数が、デジタル制御の周期の逆数に設定されるため、ステージ移動制御により生じる機械振動成分を除去することがない。さらに、カットオフ周波数が、最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数以下になるように、デジタル制御の周期を設定することで、レーザ干渉計の測定信号に含まれる全ての非線形誤差成分を除去することができる。

本発明の実施形態１において、電子ビーム描画装置の構成を示す概念図である。 電子線による描画の様子を説明する図である。 デジタルフィルタに設定されるカットオフ周波数を示す図である。 本発明の実施形態において、（ａ）はステージの加速度のデジタル制御の周期Ｔａを示す図であり、（ｂ）はデジタル制御により生じる機械振動の波形を示す図である。 本発明の実施形態２において、電子ビーム描画装置の構成を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態１において、電子ビーム描画装置の構成を示す概念図である。図１に示す電子ビーム描画装置１は、描画室１０１と、描画室１０１の上に配置された電子鏡筒１３０とを備えている。

描画室１０１内には、試料１０２であるマスクが載置され、水平方向に移動自在なＸＹステージ（以下「ステージ」という。）１０３が収容されている。ステージ１０３は、Ｘ方向（紙面に平行な方向）とＹ方向（紙面に垂直な方向）に移動する。ステージ１０３を駆動する駆動部１０４であるモータは、ステージ移動制御部１２２により制御される。

ステージ１０３の端部には、ミラー１１１が取り付けられている。ステージ１０３の位置は、レーザ干渉計１１０により測定される。レーザ干渉計１１０は、レーザを投光する投光部たるレーザヘッド１１３と、光学系１１２と、受光部１１４とを備えている。レーザヘッド１１３から光学系１１２を介してミラー１１１にレーザ光を当てると、ミラー１１１で反射されたレーザ光が光学系１１２を介して受光部１１４により受光される。上記レーザ干渉計１１０の測定信号は、ステージ位置検出部１２０に入力される。ステージ位置検出部１２０は、詳細は後述するが、所定のカットオフ周波数が設定されたデジタルフィルタ（ローパスフィルタ）を具備するフィルタ部１２１を備えており、このフィルタ部１２１により非線形誤差成分が除去された測定信号に基づいてステージ１０３の位置を検出する。

電子鏡筒１３０内には、電子銃１３１、照明レンズ１３３、矩形の開口を有する第１のアパーチャ１３４、投影レンズ１３５、ビーム成形用の偏向器１３６、第２のアパーチャ１３７、対物レンズ１３８及びビーム走査用の偏向器１３９が設けられている。

電子銃１３１から出た電子線１３２は、照明レンズ１３３により第１のアパーチャ１３４全体を照明する。この第１のアパーチャ１３４を通過した第１のアパーチャ像の電子線１３２は、投影レンズ１３５により第２のアパーチャ１３７上に投影される。この第２のアパーチャ１３７上での第１のアパーチャ像の位置は、偏向器１３６によって制御されるため、ビーム形状と寸法を変化させることができる。第２のアパーチャ１３７を通過した第２のアパーチャ像の電子線１３２は、対物レンズ１３８により焦点を合わせると共に、偏向器１３９により偏向されて、描画室１０１内のステージ１０３上に載置された試料１０２の所望の位置に照射される。

図１に示す電子ビーム描画装置１は、電子ビーム描画装置１の全体的な制御を行う制御計算機２００を備えている。制御計算機２００は、カットオフ周波数設定部２０１を備えている。カットオフ周波数設定部２０１は、フィルタ部１２１のカットオフ周波数を設定するものである。

この制御計算機２００には、磁気ディスク装置等の記憶装置２１０、ショットデータ生成部２２０、偏向制御部２３０、ステージ位置検出部１２０及びステージ移動制御部１２２が接続されている。記憶装置２１０には、ＬＳＩの描画データが格納されている。この描画データには、図形パターンの形状及び位置が定義されている。

制御計算機２００は、所望のストライプ領域を描画するために必要な描画データを記憶装置２０１から読み出し、ショットデータ生成部２２０に転送する。ショットデータ生成部２２０は、描画データに定義された図形パターンをショット単位に分割したショットデータを生成する。偏向制御部２３０は、ショットデータ生成部２２０により生成されたショットデータに基づいて、ビーム成形用の偏向器１３６を制御する偏向信号を生成する。この偏向信号は、図示省略する公知のＤＡＣアンプユニットによりＤ／Ａ変換された後に増幅され、偏向器１３６の電極に印加される。また、偏向器制御部２３０は、ショットデータに基づいて、ビーム走査用の偏向器１３９を制御する偏向信号を生成する。この偏向信号は、図示省略する公知のＤＡＣアンプによりＤ／Ａ変換された後に増幅され、偏向器１３９の電極に印加される。

図２は、電子線による描画の様子を説明する図である。試料１０２に描画する場合には、ステージ移動制御部１２２により制御される駆動部１０４によりステージ１０３をＸ方向に連続移動させながら、偏向器１３９の偏向幅に応じて短冊状に分割されたストライプ領域１０２ａ上に電子線１３２を照射する。

ここで、ステージ１０３のＸ方向の移動は連続移動とし、同時に電子線１３２のショット位置もステージ移動に追従させる。連続移動させることで描画時間を短縮することができる。また、パターン密度（即ち、所定領域内のショット数）に応じて、ステージ速度を可変にするステージ可変速描画を行ってもよい。このステージ可変速描画により、更に描画時間を短縮することができる。

そして、１つのストライプ領域１０２ａの描画が終了すると、ステージ１０３を駆動部１０４によりＹ方向にステップ送りし、逆向きのＸ方向に次のストライプ領域１０２ａの描画処理を行なう。これを繰り返すことにより、各ストライプ領域１０２ａが順次描画される。

次に、上記描画処理におけるステージ位置の検出について説明する。

描画位置の精度を高めるためには、ステージ１０３の位置を精度良く検出する必要がある。ステージ位置の測定には、一般にレーザ干渉計１１０が用いられる。レーザ干渉計１１０の測定信号は、ステージ位置検出部１２０に入力される。

ここで、ステージ位置検出部１２０により、レーザ干渉計１１０の測定信号に基づいて、ステージ位置を精度良く検出するためには、この測定信号とステージ位置との間に完全な線形関係が成立することが望ましい。然し、実際は、両者間に完全な線形関係が成立しない。これは、レーザ干渉計１１０で用いられるレーザ光中に混在する垂直波と水平波とが互いに干渉することによって測定信号が得られるが、これら垂直波と水平波はレーザ干渉計１１０の光学系１１２で完全に分離されないため、非線形誤差を生じ、その結果、レーザ干渉計１１０の測定信号が非線形誤差成分を含むためである。

そこで、ステージ位置検出部１２０により上記測定信号に基づきステージ位置を検出する前に、上記カットオフ周波数設定部２０１により所定のカットオフ周波数が設定されたフィルタ部１２１により、上記測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去する。図３は、カットオフ周波数ｆｃが設定されたフィルタ部１２１のゲイン特性を示している。このフィルタ部１２１によれば、カットオフ周波数ｆｃ以上の周波数を有する非線形誤差成分を除去することができる。

ところで、次式(1)で表されるように、ステージ速度Ｖｓが変化すると、レーザ干渉計１１０の測定信号に含まれる非線形誤差成分の周波数ｆ_ｎｌが変動する。次式(1)によれば、ステージ速度Ｖｓが遅くなると、非線形誤差成分の周波数ｆ_ｎｌが低くなる。

（λ／４）／Ｖｓ＝１／ｆ_ｎｌ・・・(1)
尚、上式(1)において、「λ／４」は、非線形誤差成分が有する固有の空間周波数を表す。例えば、レーザ干渉計１１０でＨｅＮｅレーザ光を用いる場合の空間周波数（λ／４）は６３２．８ｎｍである。

高密度のパターンを描画する際には、描画エラーが発生しないように、ステージ移動制御部１２２によりステージ速度Ｖｓが遅くされる。その結果、レーザ干渉計１１０の測定信号に含まれる非線形誤差成分の周波数ｆ_ｎｌが低くなる。例えば、レーザ干渉計１１０でＨｅＮｅレーザ光を投光光として用いる場合、ステージ速度Ｖｓが１ｍｍ／ｓｅｃであるときの周波数ｆ_ｎｌは６．３ｋＨｚであるが、ステージ速度Ｖｓが０．１ｍｍ／ｓｅｃであるときの周波数ｆ_ｎｌは６３２Ｈｚとなる。

また、上記ステージ可変速描画においても、高密度のパターンを描画する際にはステージ速度Ｖｓが遅くされ、低密度のパターンを描画する際にはステージ速度Ｖｓが速くされる。その結果、非線形誤差成分の周波数ｆ_ｎｌが低い周波数まで広がる。

このように低い周波数ｆ_ｎｌを有する非線形誤差成分を除去するためには、フィルタ部１２１のカットオフ周波数ｆｃを出来るだけ低く設定すればよい。然し、カットオフ周波数ｆｃを低く設定すると、ステージ移動制御に起因する機械振動も除去されるため、ステージ位置の検出精度の低下を招く。

そこで、本実施形態では、カットオフ周波数ｆｃを、ステージ移動制御の制御周期の逆数、すなわち、ステージ１０３の加速度がデジタル制御される場合にその制御周期Ｔａの逆数（１／Ｔａ）に設定する。以下、この点について、具体的に説明する。

上記ステージ移動制御部１２２は、図４（ａ）に示すように、ステージ１０３の加速度を単位制御周期Ｔａでパルス状にデジタル制御している。つまり、駆動部１０４からステージ１０３に与えるトルクを単位制御周期Ｔａでパルス状にデジタル制御している。このようなデジタル制御により生じる描画装置１の機械振動の波形を図４（ｂ）に示す。

尚、図４（ａ）には、＋（プラス）側の加速度の絶対値と−（マイナス）側の加速度の絶対値が同じであり、加速度が一定にされる時間が常に単位周期Ｔｓである規則的な制御波形を例示しているが、加速度の絶対値が異なっていてもよく、加速度が一定にされる時間が単位周期Ｔｓの自然数倍であってもよい。

ここで、図４（ｂ）において細線で示すような機械振動Ａ、つまり、デジタル制御の周期Ｔａよりも短い周期を有する機械振動Ａは生じない。従って、周期Ｔａのデジタル制御を行うことで、図４（ｂ）に示すように、その制御周期Ｔａ以上の周期を有する機械振動Ｂ、Ｃ、Ｄが生じ得る。尚、機械振動Ｂの周期は、制御周期Ｔａと同じである。従って、フィルタ部１２１のカットオフ周波数ｆｃを周期Ｔａの逆数（１／Ｔａ）に設定することで、フィルタ部１２１によって、デジタル制御により生じる機械振動Ｂ、Ｃ、Ｄを除去することなく、非線形誤差成分を最大限除去することができる。例えば、デジタル制御の周期Ｔａが５ｍｓｅｃのとき、フィルタ部１２１のカットオフ周波数ｆｃは２００Ｈｚに設定される。

以上説明したように、本実施形態では、フィルタ部１２１のカットオフ周波数ｆｃが、ステージ１０３の加速度の制御周期Ｔａの逆数（１／Ｔａ）に設定されるため、ステージ移動制御に起因する機械振動成分を除去することなく、レーザ干渉計１１０の測定信号に含まれる非線形誤差成分を最大限除去することができる。従って、非線形誤差成分が最大限除去された測定信号に基づいて、ステージ位置検出部１２０によりステージ位置を精度良く検出することができるため、描画位置精度を向上させることができる。

上述したように、ステージ可変速描画において高密度のパターンを描画する場合、ステージ速度が遅くされるため、レーザ干渉計１１０の測定信号に含まれる非線形誤差成分の周波数が低い周波数まで広がる。上記実施形態１では、カットオフ周波数ｆｃをステージ移動制御の周期Ｔａの逆数（１／Ｔａ）に設定することで、この逆数（１／Ｔａ）よりも高い周波数の非線形誤差成分を除去することができる。但し、この逆数（１／Ｔａ）以下の低い周波数の非線形誤差成分をフィルタ部１２１によって除去することができない。

そこで、本発明の実施形態２では、ステージ移動制御の周期Ｔａを可変制御する。図５は、本発明の実施形態１において、電子ビーム描画装置１ａの構成を示す概念図である。

図５に示す電子ビーム描画装置１ａは、制御計算機２０２ａ内に、カットオフ周波数設定部２０１の他に、最低ステージ速度算出部２０２、周波数算出部２０３及びデジタル制御周期制御部２０４を備える点で、図１に示す電子ビーム描画装置１と相違する。それ以外の装置構成及び動作については上記実施形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態２では、最低ステージ速度算出部２０２により、パターン密度に応じて、ステージ可変速描画における最低ステージ速度、つまり、ステージ可変速描画で可変させるステージ速度の最低値を算出する。このパターン密度は、記憶装置２１０に格納されている描画データから求めることができる。

次いで、周波数算出部２０３により、上記算出された最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数を、上式(1)を用いて算出する。これにより、ステージ可変速描画時の非線形誤差成分の周波数分布のうちの最低の周波数が算出される。

次いで、デジタル制御周期制御部２０４により、ステージ移動制御の周期Ｔａの逆数（１／Ｔａ）が、上記算出された周波数以下になるような周期Ｔａを求め、求めた周期Ｔａをステージ移動制御部１２２に設定する。つまり、カットオフ周波数ｆｃが、最低ステージ速度に応じた非線形誤差成分の周波数以下になるように、ステージ移動制御部１２２のデジタル制御周期Ｔａを制御する。

このように周期Ｔａを制御することで、ステージ移動制御（ステージ加速度のデジタル制御）により生じる機械振動成分は除去しないままで、レーザ干渉計１１０の測定信号に含まれる非線形誤差成分を全て除去することが可能である。その結果、上記実施形態１に比べて、ステージ位置検出部１２０によるステージ位置の検出精度を更に向上させることができ、描画位置精度を更に向上させることができる。

上記実施形態２は、ステージ可変速描画だけでなく、ステージ等速描画にも適用可能である。このステージ等速描画では、上記最低ステージ速度算出部２０２により、１つのストライプ領域分の描画データからパターン密度が求められ、そのパターン密度に応じて、ストライプ領域の描画中のステージ速度の最低値（最低ステージ速度）が算出される。上記周波数算出部２０３は、この算出された最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数を算出する。これによりステージ等速描画時の非線形誤差成分の最低周波数が算出される。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。例えば、上記実施の形態では電子ビームを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、イオンビームなどの他の荷電粒子ビームを用いた場合にも適用可能である。

また、上記実施形態において、ステージ位置検出部１２０の内部にフィルタ部１２１を備えているが、ステージ位置検出部１２０の外部にフィルタ部１２１を備えるように構成してもよい。

また、上記実施形態２では、最低ステージ速度と、この最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数とをそれぞれ算出しているが、電子ビーム描画装置１ａの外部で算出された値を入力することで取得してもよい。

１、１ａ 電子ビーム描画装置（荷電粒子ビーム描画装置）
１０２ 試料
１０３ ステージ
１１０ レーザ干渉計
１２０ ステージ位置検出部
１２１ フィルタ部
１２２ ステージ移動制御部
２００、２００ａ 制御計算機
２０１ カットオフ周波数設定部
２０２ 最低ステージ速度算出部
２０３ 周波数算出部
２０４ デジタル制御周期制御部

Claims (5)

1. 水平方向に移動自在なステージと、
   前記ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御することで、前記ステージの移動を制御するステージ移動制御部と、
   前記ステージの位置を測定するレーザ干渉計と、
   カットオフ周波数を前記デジタル制御の周期の逆数に設定することで、前記レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するフィルタ部と、
   前記フィルタ部により前記非線形誤差成分が除去された測定信号に基づいて、前記ステージの位置を検出するステージ位置検出部とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。
2. 水平方向に移動自在なステージと、
   前記ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御することで、前記ステージの移動を制御するステージ移動制御部と、
   前記ステージの位置を測定するレーザ干渉計と、
   カットオフ周波数を前記デジタル制御の周期の逆数に設定することで、前記レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するフィルタ部と、
   前記デジタル制御の周期の逆数を、描画中の最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数以下に制御するデジタル制御周期制御部とを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム描画装置。
3. 前記最低ステージ速度に対応する非線形誤差成分の周波数を算出する周波数算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム描画装置。
4. 前記試料に描画するパターン密度に基づいて、前記最低ステージ速度を算出する最低ステージ速度算出部を更に備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の荷電粒子ビーム描画装置。
5. 水平方向に移動自在なステージに載置された試料に荷電粒子ビームを照射してパターンを描画する荷電粒子ビーム描画方法において、
   レーザ干渉計を用いて、前記ステージの位置を測定するステップと、
   所定のカットオフ周波数が設定されたフィルタ部を用いて、前記レーザ干渉計の測定信号に含まれる非線形誤差成分を除去するステップと、
   前記非線形誤差成分が除去された測定信号に基づいて、ステージ位置を検出するステップと、
   前記ステージの加速度を所定の周期でデジタル制御する場合に、前記カットオフ周波数を、前記デジタル制御の周期の逆数に設定するステップとを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム描画方法。

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